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Frostschutz, 11.08.2012

ERFOLGREICHER FROSTSCHUTZ IN OBSTANLAGEN

Erfolgreicher Frostschutz in Obstanlagen unter Berücksichtigung der thermodynamischen Prozesse
 
Das Jahr 2011 mit seinen Spätfrösten Anfang Mai hat klar gezeigt, wie wichtig und wie sinnvoll ein effektiver Frostschutz ist. Während z. B. durch Beregnung geschützte Anlagen im norddeutschen Raum meist einen Vollertrag erzielten, verzeichneten ungeschützte Anlagen teilweise Totalausfall (s. Foto 1). Aber auch beim Betrieb mit Frostschutzberegnung gab es im Einzelfall Ertragsausfälle. Sie waren nicht selten auf Fehlentscheidungen des Betriebsleiters zurückzuführen, weil grundlegende Informationen insbesondere zum optimalen Einschaltzeitpunkt fehlten.
Im Folgenden sollen die thermodynamischen Prozesse in einer Obstanlage vereinfacht dargestellt und daraus Schlussfolgerungen für eine erfolgreiche Frostbekämpfung gezogen werden.
 

SITUATION ANFANG MAI 2011

In Abb. 1 sind beispielhaft die Bedingungen dargestellt, wie sie in der Frostnacht vom 4. auf den 5. Mai 2011 in vielen Obstanlagen an der Niederelbe geherrscht haben dürften. Als damals wenige Stunden nach Sonnenuntergang viele Frostwarner bei Feuchttemperaturen von nur noch knapp über 0 °C und damit knapp über der kritischen Pflanzentemperatur Alarm schlugen, während die Trockentemperatur noch bei teilweise über 6 °C lag, war man geneigt, an eine Fehlfunktion der Technik zu denken. Tatsächlich waren die Werte aber korrekt: Die relative Luftfeuchtigkeit betrug nämlich je nach Standort nur 30 % und der Taupunkt lag damit deutlich unter -5 °C (s. Abb. 1a). Der anschließend beobachtete relativ schnelle Temperaturabfall und die später teilweise erreichten Feuchttemperaturen von unter -5 °C waren also erklärbar und sogar vorhersehbar gewesen! Im englischsprachigen Raum wird so ein Frostereignis, wo die Taupunkttemperatur deutlich unter der kritischen Pflanzentemperatur liegt und trotz sehr niedriger Lufttemperaturen kaum Rauhreifbildung auftritt, auch als „black frost", also als „Schwarzer Frost", bezeichnet. Schwarze Fröste sind deshalb so gefährlich, weil wegen der fehlenden Kondensationswärme durch Reifbildung ein schneller Temperaturabfall und eine extrem niedrige Minimumtemperatur häufig deutlich unterhalb der kritischen Pflanzentemperatur möglich sind. Beim Betrieb der Frostschutzberegnung kommt hinzu, dass ein zu spätes Einschalten, zu geringe Wassergaben während der Beregnung und ein zu frühes Ausschalten besonders fatale Folgen haben, da durch die geringe relative Luftfeuchtigkeit eine starke Verdunstungskühlung auftritt, was dann nicht durch die Erstarrungswärme kompensiert werden kann. Hätte man z. B. in dem oben genannten Beispiel erst bei 0 °C Trockentemperatur die Beregnung eingeschaltet, hätte die Feuchttemperatur zu dem Zeitpunkt schon bei fast -3 °C und die relative Luftfeuchtigkeit bei ca. 60 % gelegen - mit den bekannten fatalen Konsequenzen, da die kritische Pflanzentemperatur mit ca. 0 °C Feuchttemperatur deutlich unterschritten worden wäre (s. Abb. 1B).
 

FROSTPROGNOSE

Die einzelbetriebliche Prognose, ob und wenn ja wann die kritische Pflanzentemperatur unterschritten ist, würde den Betrieb der Frostschutzberegnung deutlich planbarer und sicherer machen. Beispielsweise könnte man viel Wasser sparen, wenn klar ist, dass die kritische Pflanzentemperatur mit großer Wahrscheinlichkeit nicht erreicht wird. Dies gilt insbesondere dann, wenn die kritische Pflanzentemperatur deutlich unterhalb der technischen Einschalttemperatur liegt und man sonst wegen der Gefahr des Einfrierens der Beregnungsanlage frühzeitig einschalten würde. Andererseits wäre man auf einen schnellen Temperaturabfall mit sehr geringen Minimumtemperaturen vorbereitet und würde viel eher geneigt sein, rechtzeitig die Beregnung einzuschalten.
Der abendliche Taupunkt ist als alleiniges Prognosemittel allerdings nur bedingt geeignet, da die Feuchttemperatur in der Frostnacht regional unter diesen Wert fallen kann. Der Amerikaner Richard L Snyder und der Portugiese J. Paulo de Melo-Abreu haben dies in Ihrer Veröffentlichung „Forecasting temperature trends during a radiation frost night" anschaulich beschrieben, Das Programm ist als Excel®-Datei zum Download im Internet kostenlos zur Verfügung gestellt worden (http://biomet. ucdavis.edu/frostprotection/FTrend/FFST_ FTrend.htm). Auf Basis von Witterungsdaten mehrerer zurückliegender windstiller und wolkenloser Strahlungsnächte wird hier mit Hilfe des Taupunktes und der Trockentemperatur zwei Stunden nach Sonnenuntergang die zu erwartende Minimumtemperatur und der Temperaturverlauf prognostiziert. Am Beispiel von Daten ESTEBURG ergibt sich eine gute Korrelation zwischen prognostizierter und tatsächlich eingetretener Minimumtemperatur (s. Abb. 2). Dabei zeigt sich auch, dass der abendliche Taupunkt nicht mit der eingetretenen Minimumtemperatur einfach gleichzusetzen ist. Tatsächlich wurde auf der ESTEBURG der zwei Stunden nach Sonnenuntergang gemessene Taupunkt meist deutlich unterschritten.
 

WÄRMETRANSPORT IN DER OBSTANLAGE

Wärme wird bekanntermaßen durch Wärmestrahlung, Wärmeleitung und Konvek-tion (Luftströmung) transportiert. In einer windstillen Frostnacht gibt die Pflanze ihre am Tage von der Sonne aufgenommene Wärmeenergie hauptsächlich durch Strahlung an die Umgebung ab (s. Abb. 3). Man spricht dann von Strahlungsfrost. Wie jeder Körper strahlt die Pflanze dabei mit ihrer Eigentemperatur Wärme hauptsächlich Richtung Atmosphäre ab. Der Himmel mit seinen Atmosphärengasen strahlt wiederum mit Eigentemperatur zurück. Je größer die Differenz, desto größer ist der Wärmeverlust der Pflanze. Damit ist klar, warum die Frostgefahr in sternenklaren Nächten größer ist als bei bedecktem Himmel: Der klare Himmel strahlt mit etwa -50 °C, während die Wolken bei bedeckten Himmel „nur" mit Taupunkttemperatur zurückstrahlen. Mit Hilfe einer Wärmebildkamera, die eben genau die Wärmestrahlung sichtbar macht, kann man diesen Effekt anschaulich zeigen (s. Foto 2A und B). Mittels Wärmeleitung wird Wärmeenergie z. B. aus dem Pflanzeninneren nach außen abgeführt. Andererseits wird aber auch über diesen Weg Wärme, die im Boden gespeichert ist, zur Bodenoberfläche transportiert und unter anderem zur Pflanze abgestrahlt. Dabei spielt der Wassergehalt des Bodens eine entscheidende Rolle, da Wasser eine hohe Wärmekapazität besitzt und damit sehr viel Wärme speichern kann. Dadurch kann man erklären, warum gerade Moorstandorte so frostgefährdet sind: Ein trockener Moorboden speichert weniger Wärme und leitet diese wenige Wärme auch noch wegen der vielen Luft im Boden schlecht an die Oberfläche weiter.
die zugeführte Luft wärmer oder kälter ist als die Pflanze. Wenn Luft zugeführt wird, deren Feuchttemperatur unter der kritischen Pflanzentemperatur liegt, spricht man von Windfrost. Eine Frostschutzberegnung ist in diesem Fall kontraproduktiv, weil die Wärmeverluste durch Verdunstung (2498 kJ/kg bei 0 °C) deutlich größer sind, als die zugeführte Erstarrungswärme (335 kJ/kg).
 

FROSTBEKÄMPFUNGSMÖGLICHKEITEN - Passive Maßnahmen

Eine der ältesten Frostbekämpfungsmaßnahmen ist die Nutzung von Wasser als Wärmespeicher. Durch das Spieren, also das Anstauen von Wasser in Gräben, haben die Bauern im Alten Land schon sehr früh relativ effektiv Frostschutz betrieben. Aus Frostschutzgesichtspunkten ist deshalb der aktuelle Umbau des Gewässersystems im Alten Land aus Pflanzenschutzgründen mit der permanenten Polderung weiter Landstriche und das Verfüllen vieler Gräben kontraproduktiv. Auch das künstliche Anfeuchten des Bodens verringert durch die Erhöhung der Wärmekapazität des Bodens die Frostgefahr. Wichtig dabei ist allerdings, dass die Pflanze bis zum Frostereignis abtrocknen kann, damit keine zusätzliche Verdunstungskühlung eintritt. Sicherlich hat die im Frühjahr 2011 herrschende extreme Trockenheit auch dazu beigetragen, dass insbesondere auf leichten und moorigen Böden so große Frostschäden aufgetreten sind. Ein Boden mit einem großen Wärmepuffer nützt aber nur etwas, wenn die Wärme auch an die Pflanzen abgestrahlt werden kann. Jede Form der Bodenabdeckung vermindert die Wärmeabgabe des Bodens. Foto 3 zeigt die mit Hilfe einer Wärmebildkamera aufgenommene Wärmestrahlung in einer Apfelanlage. Man sieht sehr deutlich, wie gut im Baumstreifen die Wärme des Bodens abgestrahlt wird und der Grasbewuchs in der Fahrgasse den Boden isoliert und damit die Wärmeabgabe hemmt. Selbst im Baumstreifen sieht man Unterschiede, Schnittholz oder Unkraut verringern die Abstrahlung des Bodens deutlich (s. Foto 4). Das Gras in der Obstanlage sollte daher im Frühjahr möglichst kurz gehalten werden und der Baumstreifen sollte frei von Unkraut und Abdeckmaterialien sein. Dabei wird auch deutlich, wie wichtig die optimale Terminierung des Stroheinbringens bei Erdbeeren ist. Die Frostschäden im zurückliegenden Jahr waren in Anlagen, wo das Stroh bereits eingebracht war, immer deutlich größer als in vergleichbaren Anlagen ohne Stroheinlage.

Frostschutzberegnung
Eine sehr effektive Frostschutzmaßnahme ist bekanntermaßen die Frostschutzberegung. Durch den Gefrierprozess wird Erstarrungswärme von 335 KJ/kg frei, und zwar direkt auf der Pflanze, wo diese Wärme die empfindlichen Blütenorgane effektiv vor Frostschäden beschützt (s. Foto 5 und 6). Die Wärmemenge, die dabei freigesetzt wird, ist enorm. Beispielsweise werden in einer zehnstündigen Beregnungsnacht bei einer Niederschlagsmenge von durchschnittlich 3,5 mm/h allein 117 Mio. KJ Erstarrungswärme pro Hektar frei - vorausgesetzt, alles ausgebrachte Wasser gefriert. Das entspricht dem Heizwert von 230 herkömmlichen Propangasflaschen (11 kg Füllmenge). In Strom umgerechnet, sind das etwa 32.500 KWh, was dem Jahresstromverbrauch von etwa acht Einfamilienhäusern entspricht. Wichtig ist, dass die Beregnungsanlage schon im Betrieb ist, bevor die kritische Pflanzentemperatur erreicht wird. Insbesondere, wenn der Taupunkt weit unterhalb der kritischen Pflanzentemperatur liegt, sollte man wachsam sein und sehr frühzeitig einschalten, um den richtigen Zeitpunkt nicht zu verpassen. Bei Windgeschwindigkeiten über 1 m/s sollte überhaupt nicht beregnet werden, da dann die Wärmeverluste durch Verdunstung überproportional zunehmen. Die Fläche wird dann unregelmäßig beregnet (s. Foto 7). Rechnerisch ist der Wärmegewinn durch die Erstarrungswärme schon aufgezehrt, wenn nur rund 15 % des ausgebrachten Wassers verdunstet. Um ständig Wärmeenergie freizusetzen, muss permanent Wasser gefrieren. Dabei ist die erforderliche Wassermenge abhängig von der Frostintensität, je kälter es ist, desto mehr Wasser sollte ausgebracht werden (s. Abb. 4). Ein relativ sicheres Zeichen für eine nicht ausreichende Wassermenge ist das Wachsen des Eises auf der Pflanze, ohne dass sich Eiszapfen bilden (s. Foto 8). Denn dann unterkühlt der Wassertropfen bereits so stark im Fluge, dass er beim Auftreffen auf die Pflanze schlagartig gefriert. Ein permanenter Gefrierprozess und damit eine kontinuierliche Wärmefreisetzung sind also nicht gegeben. Wenn möglich, sollte in diesem Fall die Wassergabe pro Zeiteinheit erhöht werden. Auch beim Ausschalten der Anlage ist einiges zu beachten. Ein zu spätes Ausschalten verbraucht unnötig Wasser, was möglicherweise in einer folgenden Beregnungsnacht dann fehlt, außerdem wird die Vernässung der Obstanlage gefördert. Noch schlimmer ist allerdings das zu frühe Ausschalten, denn dann sind schlimme Frostschäden möglich. Die Anlage darf erst ausgeschaltet werden, wenn die Feuchttemperatur, die unbedingt außerhalb der beregneten Anlagen gemessen wurde, deutlich über die kritische Pflanzentemperatur angestiegen ist. Kurz vor oder in der Blütezeit, wenn die kritische Pflanzentemperatur nahe 0 °C liegt, ist das erst der Fall, wenn das Eis schmilzt und milchig wird (s. Foto 8).

Abdeckung der Kultur
Beispiele für diese Art des Frostschutzes dind die Folien- oder Vliesabdeckungen bei Weichobst oder das Abdecken mit Stroh von empfindlichen gärtnerischen Kulturen. Der Frostschutzeffekt basiert dabei auf einer Hemmung der Wärmeverluste durch abstrahlung und/oder Konvektion.
Während beim zur Blüte geschlossenen Kirschdach hauptsächlich die Abstrahlung vermindert wird (Carport-Effekt, s. Foto 9), werden beim Vlies beide Wärmetransportmechanismen gehemmt. Die Wirksamkeit hängt im Wesentlichen von der Undurchlässigkeit des Materials für Wärmestrahlung und die Winddichtigkeit ab. Dabei sind die Unterschiede insbesondere bei Folien immens. Während Polyethylen (PE)-Folien Wärmestrahlung fast ungehindert durchlassen, hält Polyvinylchlorid (PVC)-Folie die Strahlung zurück. Ideal wären aluminiumbeschichtete Folien wie sie bei Energieschirmen im Gewächshaus eingesetzt werden, da diese die Wärmestrahlung nicht nur adsorbieren, sondern auch noch zur Kulturpflanze zurückreflektieren. Diese müssten allerdings wegen der fehlenden Lichtdurchlässigkeit am Tage wieder entfernt werden, was bei Freilandkulturen sehr viel Handarbeit bedeuten würde.
Auf Basis dieses Wissens ist zu erklären, warum es in einem mit PE-Folie abgedeckten Beerenobsttunnel in klaren, aber nicht ganz windstillen Nächten zu stärkeren Frostschäden kommen kann als außerhalb: bei diesen Bedingungen kann die Pflanze im Tunnel stärker auskühlen als die Pflanze im Freiland, weil bei vergleichbaren Ausstrahlungsverlusten der Pflanze im Tunnel anders wie außerhalb keinerlei Wärme durch Konvekti-on zugeführt wird. Die Pflanze im Tunnel ist kälter als die Pflanze draußen. Die Wirkung eines Vlieses ist etwas komplexer: Das eigentliche Vlies verhindert kaum die Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion. Erst wenn sich in einer Frostnacht eine relativ dichte Reifschicht auf dem Vlies bildet, werden die Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion deutlich reduziert. Damit ist auch klar, warum eine Vliesabdeckung bei einem sehr niedrigen Taupunkt nicht funktioniert: ohne die schützende Reifschicht kühlt die Pflanze unterm Vlies ähnlich schnell oder sogar schneller aus als außerhalb. Hier wäre eine Kombination mit der Frostschutzberegnung sehr effektiv, da Wärme durch den Gefrierprozess noch zusätzlich zugeführt wird, aber Ausstrahlungs- und Konvektionsver-lust durch den sich bildenden Eispanzer verhindert werden (s. Foto 10).

Heizen
Früher wurde durch Verbrennen von Stroh oder gar alten Autoreifen ein Frostschutz durch Heizen praktiziert, was heute wegen der Umweltbelastung so nicht mehr möglich ist. Zunehmend werden aber gasbetriebene Heizsysteme genutzt, insbesondere dann, wenn eine Frostschutzberegnung nicht möglich ist. Dabei ist das Ziel, das Pflanzenorgan direkt durch Wärmestrahlung, aber auch indirekt durch erwärmte Luft vor Frost zu schützen (s. Foto 10). Die Effektivität dieser Systeme ist im Freiland allerdings begrenzt, da die ausgebrachte Wärmeenergie relativ gering ist und die Wärmeverluste durch Thermik (warme Luft steigt immer nach oben) groß sind. Eine ausreichende Wirkung ist daher eher in geschütztem Anbau, also unter Glas oder Folie, zu erwarten.

Künstliche Luftdurchmischung
Bei Inversionswetterlage besteht die Möglichkeit, die Pflanzen vor Frost zu schützen, indem eine künstliche Durchmischung der wärmeren oberen mit den kalten bodennahen Luftmassen, z. B. mit Hilgfe von Winsmaschinen oder eines Hubschraubers, durchgeführt wird. Die Effektivität solcher Maßnahmen hängt entscheidend vom vorhandenen Temperaturgradient in der Luft und von der Leistungsfähigkeit der verwendeten Technik ab, also ob in der Höhe ausreichend warme Luft vorhanden ist und ob es gelingt, diese an die Pflanzen entsprechend herunterzutransportieren. Hauptsächlich wegen der hohen Lärmbelastung und damit genehmigungstechnischer Gründe, aber auch wegen der nur begrenzten Wirkung wird diese Technik bisher in Deutschland kaum eingesetzt.
 

FAZIT

Aus den bisherigen Erfahrungen ergibt sich, dass die Frostschutzberegnung bei den meisten Obstkulturen weiterhin die effektivste Art der Frostbekämpfung ist. Die Vorteile überwiegen eindeutig die Nachteile durch  z. B.  den hohen Wasserbedarf und Probleme durch Vernässung.
Beim Kernobst und bei der Heidelbeere ist die Überkronen-Frostschutzberegnung Standard. Bei Kirschen ist die Kombination aus Überkronen- und Unterkronenberegnung zu empfehlen wegen der Empfindlichkeit der Blüte nur bis max. ca. 20 % geöffnete Blüten stattfinden sollte.
Bei vorhandenem Foliendach ist das Aufziehen der Folie zur Blüte, insbesondere dann, wenn nicht genügend geeignetes Wasser zur Verfügung steht, eine gute Alternative, wenn die Bestäubung durch z. B. Bienen und Hummeln sichergestellt ist. Ob auch eine theoretisch sehr wirksame "Überfolienberegnung" statt der Unterkronenberegnung in der Blütephase technisch möglich ist, müssen weitere Praxisversuche zeigen.
Bei Erdbeeren ist die Frostschutzberegnung ebenfalls sehr effektiv. Allerdings ist die Vernässung wegen der potentiellen Förderung von Wurzelfäulen problematisch. Alternativ oder zusätzlich ist bei verfühten Beständen die Vliesabdeckung zu empfehlen. Diese muss aber während der Blüte am Tage wieder entfernt werden, um die Bestäubung nicht zu behindern. Bei fehlender Beregnung ist die optimale Terminierung der Stroheinbringung entscheidend, um Frostschäden zu vermeiden.
 
Weitere Infos zu diesem Thema - siehe auch Vortragsfolien von Dr. Dirk Köpcke (PDF-2,8 MB)
 

Medium

1975 hat der Vorstand der Fachgruppe Obstbau den Beschluß gefaßt, ab Januar 1976 eine Verbandseigene Fachzeitschrift herauszugeben. OBSTBAU hat sich seitdem zu einer renommierten Fachzeitschrift entwickelt, auf die kein zukunftsgerichteter Betriebsleiter/ Betriebsleiterin verzichten kann. Mit einer Auflage von über 7000 Exemplaren ist OBSTBAU heute die größte überregionale Fachzeitschrift für Obstbau im deutschsprachigen Raum.
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